CN104727812A - 随钻方位电磁波电阻率测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随钻方位电磁波电阻率的测量装置及其测量方法，该测量装置包括：无磁钻铤；安装于无磁钻铤上的至少一轴向发射天线、一对横向接收天线以及至少一对轴向接收天线；工具面方位角实时测量装置，其用来提供装置工具面的实时测量，以确定采集数据所处的扇区；数据采集和处理装置，其用于采集轴向接收天线的信号和按照扇区采集该对正交的横向接收天线的信号，并处理得到不同方位的电磁波电阻率。本发明测量装置，通过轴向接收天线接收电磁波信号，得到一定探测深度的电阻率曲线，通过中心在同一点的两个正交的横向接收天线接收电磁信号，并按扇区记录电动势的实部和虚部信息，形成方位电磁波电阻率并成像显示。

Description

随钻方位电磁波电阻率测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井作业随钻测量或随钻测井领域，特别适用于地质导向钻井系统中的一种能预测和判断地层界面的随钻电磁波电阻率测量装置及其测量方法。

背景技术

在油田勘探和开发过程中，需要测量地层地质信息和工程参数。随着勘探开发技术的不断进步，对测量参数的准确性和多样性要求越来越高。所需要的参数往往包含地层环境参数、井下钻具位置、方位以及钻井环境参数等。

目前已经有多种常规电缆测井仪器以及随钻测井仪器可以提供以上参数。电磁波电阻率仪器作为评价地层性质的重要仪器可以提供地层电阻率信息，来对地层含油性进行评价。该仪器往往包含一个或者多个发射和接收天线来接收地层感应信号。根据采用频率不同，分为感应电阻率仪器和电磁波电阻率仪器。对于随钻电磁波电阻率仪器来说，通常采用接收线圈的幅度比或相位差来转换得到地层电阻率信息。方位电磁波电阻率除了用于地层评价外主要用来地质导向。目前具备方位分辨功能的随钻仪器由于探测深度太小，限制了其在地质导向方面的应用，而随钻方位电磁波电阻率仪器则克服了探测深度小的缺陷，可以更好的应用于地质导向。

美国专利(No.6777940)公布了一种随钻电磁波电阻率的测井工具,它包括一对相对于接收天线对称排列的发射天线，可以发射400kHz、1.2MHz以及2MHz这三种频率的电磁波，通过测量两个接收线圈之间测量信号的幅度衰减和相位差，从而转化成地层的电阻率信息。该工具装置和测量方法可以得到地层的电阻率信息，但不具备方位性质，无法给出方位电阻率信息，也不能确定层界面相对方位。

美国专利(No.7038455)公布了一种多线圈距、多频率的随钻电磁波测井工具，它包含六个发射天线和三个接收天线，通过不同的发射天线以及接收天线的组合来实现多探测深度的测量，它同样不具备方位特性。

中国公布的发明专利(NO.CN102704921)提出了一种随钻电磁波电阻率测量方法及装置，通过产生特定频率的电磁波功率信号，利用发射天线将电磁波发射到地层中，通过两个接收天线分别接收含有被测地层信息的电磁波功率信号，生成两路含有被测地层信息的电磁波功率信号，对两路含有被测地层信息的电磁波功率信号分别进行带通滤波，并将经过带通滤波后的两路含有被测地层信息的电磁波功率信号分别进行带通滤波，并将带通滤波后的信号通过AD采样后生成两路电磁波采样数字信号，对两路电磁波采样信号的每一路电磁波采样信号进行混频变换和低通滤波，生成每一路电磁波采样数字信号的幅值信息和相位信息，生成采样数字信号的幅值比和相位差，根据图表反演生成电阻率图板。该专利只具备基本的电阻率测量功能，而且该装置和方法不具备方位特性，无法进行电阻率成像和层界面的判断，在地质导向应用中受到很大限制。

因此，如何解决上述问题，提供一种有效精准测量出不同方位的电磁波电阻率的随钻方位电磁波电阻率测量装置及其测量方法，乃业界所致力的课题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种随钻方位电磁波电阻率的测量装置，该装置能够有效精准测量出不同方位的电磁波电阻率，预测和判断地层界面位置。另外，还提供了一种随钻方位电磁波电阻率的测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种随钻方位电磁波电阻率的测量装置，包括：设置有天线槽的无磁钻铤；安装于所述无磁钻铤上的至少一轴向发射天线、一对横向接收天线以及至少一对轴向接收天线，其中，各个天线通过所述天线槽发射和接收电磁波信号；工具面方位角实时测量装置，其用来提供装置工具面的实时测量，以确定采集数据所处的扇区；数据采集和处理装置，其通过所述无磁钻铤内部的线路与所述工具面方位角实时测量装置电连接，所述数据采集和处理装置用于采集轴向接收天线的信号和按照扇区采集该对正交的横向接收天线的信号，并对采集到的信号进行处理得到不同方位的电磁波电阻率。

在一个实施例中，包括：在所述无磁钻铤上安装四个所述轴向发射天线、两个所述轴向接收天线和一对正交的横向接收天线，其中，在两个所述轴向接收天线的两侧分别设置三个所述轴向发射天线和一个所述轴向发射天线，并且两端轴向发射天线关于所述一对正交的横向接收天线对称，四个所述轴向发射天线分别分时发射至少一个设定工作频率的电磁波信号。

在一个实施例中，所述数据采集和处理装置包括：电磁波电阻率生成单元，其用于采集对应至少一工作频率的轴向接收天线所接收到的反映地层信息的电磁波信号，通过对所述电磁波信号的幅度和相位信息进行处理以得到不同探测深度的地层的电磁波电阻率信息；方位电动势生成单元，其用于按照扇区采集该对横向接收天线所接收到的反映地层信息的电磁波信号，获取电磁场交叉耦合电动势的实部和虚部信息，进而生成不同方位的电动势信息；方位电磁波电阻率计算单元，其用于将所述电磁波电阻率信息和所述不同方位的电动势信息进行合成，生成不同方位的电磁波电阻率信息。

在一个实施例中，所述方位电动势生成单元还包括：噪声消除单元，其按照扇区方位对所述电磁场交叉耦合电动势中的交叉耦合磁场分量数据进行拟合校正以消除电气和/或机械引起的噪声信号；补偿单元，其对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行对称发射补偿和/或移动过程中的延迟补偿，进而生成不同方位的电动势信息。

在一个实施例中，还包括：方位电磁波电阻率成像单元，其用于用不同颜色表示所得到的不同方位的电磁波电阻率的大小。

在一个实施例中，还包括：界面倾角和距离判断单元，其用于根据所得到的不同方位的电动势信息，处理得到界面倾角和相对位置，来预测和判断地层界面，进而指导钻进。

根据本发明的另一方面，还提供了一种随钻方位电磁波电阻率的测量方法，包括：电磁波电阻率生成步骤，采集对应至少一工作频率的轴向接收天线所接收到的反映地层信息的电磁波信号，通过对所述电磁波信号的幅度和相位信息进行处理得到不同探测深度的电磁波电阻率信息；方位电动势生成步骤，按照扇区采集至少一对横向接收天线所接收到的反映地层信息的电磁波信号，获取电磁场交叉耦合电动势的实部和虚部信息，进而生成不同方位的电动势信息；方位电磁波电阻率计算步骤，将所述电磁波电阻率与所述不同方位的电动势信息进行合成得到不同方位的电磁波电阻率信息。

在一个实施例中，在所述方位电动势生成步骤中，进一步包括：按照扇区方位对所述电磁场交叉耦合电动势中的交叉耦合磁场分量数据进行拟合校正以消除电气和/或机械引起的噪声信号；对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行对称发射补偿和/或移动过程中的延迟补偿，进而生成不同方位的电动势信息。

在一个实施例中，还包括：根据所得到的不同方位的电动势信息，处理得到界面倾角和相对位置，来预测和判断地层界面，进而指导钻进。

在一个实施例中，所述电磁场交叉耦合电动势包括交叉耦合磁场分量ZX和ZY，通过至少一个轴向发射天线和一对正交的横向接收天线，同时测量所述电磁场交叉耦合电动势的分量ZX和ZY。

在一个实施例中，在对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行对称发射补偿的步骤中，通过将至少一对轴向发射天线对称安装于横向接收天线两侧，且至少采用一个横向接收天线用于测量ZX或ZY分量，进而进行对称发射补偿，或者，通过将至少一对横向接收天线对称安装于轴向发射天线两侧，且至少采用一个轴向发射天线用于测量ZX或ZY分量，进而进行对称发射补偿。

在一个实施例中，在对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行钻挺移动过程中的延迟补偿的步骤中，通过关于横向接收天线对称的两个轴向发射天线分别位于相同地层位置时的该横向接收天线所接收的电磁波信号进行补偿。

在一个实施例中，在旋转测量模式中，所采集到的电动势信号的实部和虚部信息分别为关于装置工具面方位角Φ的函数，如下表示为：

Re{V(f,t,r)}＝a_RE1cos(φ)+b_RE1sin(φ)

Im{V(f,t,r)}＝a_IM1cos(φ)+b_IM1sin(φ)

其中，V为横向接收线圈所测电动势；f为工作频率；t，r分别为发射、接收天线；Re、Im分别表示取信号的实部和虚部；a_RE1和b_RE1分别表示实部信号余弦分量幅度和正弦分量幅度，a_IM1和b_IM1分别表示虚部信号余弦分量幅度和正弦分量幅度。

在一个实施例中，在滑动测量模式下，所采集到的交叉耦合电动势的幅度信息，如下表示为：

$\mathrm{Re}\left\{V(f,t,r)\right\}=\sqrt{a_{\mathrm{rx}}^2+a_{\mathrm{ry}}^2}$

$\mathrm{Im}\left\{V(f,t,r)\right\}=\sqrt{b_{\mathrm{ix}}^2+b_{\mathrm{iy}}^2}$

其中，a_rx、a_ry、b_ix、b_iy分别为交叉耦合电动势的交叉耦合磁场分量ZX和ZY的实部和虚部信号。

在一个实施例中，在所述方位电磁波电阻率计算步骤中，进一步包括：确定交叉耦合电动势信号阈值；划分交叉耦合电动势采集和记录扇区；当电动势信号大于阈值时，不同方位的电磁波电阻率按照以下表达式进行合成：

Raz(ii,jj)=(Az(ii,jj)/Azx(ii)+1)/2*(Rt(ii)-R)+R

其中：Raz、Az均为二维数组，ii代表深度采样点编号、jj=1,…N+1，N为扇区个数；Raz为转换得到的不同方位的电磁波电阻率；Az为所测量交叉耦合电动势信号虚部；Azx为每个深度位置的幅度最大的交叉耦合电动势信号；Rt为随钻电磁波电阻率；R为邻近交叉耦合电动势信号阈值处的电阻率，随深度变化而变化。

在一个实施例中，在划分耦合分量电动势采集和记录扇区的步骤中，至少划分四个扇区，区别上、下、左、右四个方位，并且每个扇区内的电动势信号测量值进行平均，作为该扇区的测量信号值。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明公开了一种用于地质导向过程中的随钻方位电磁波电阻率的测量装置，通过该装置的轴向发射天线发射特定频率的电磁波信号，并分别通过轴向接收天线接收电磁波信号，得到至少一种探测深度的电阻率曲线，然后通过中心在同一点的两个正交的横向接收天线接收电磁信号，并按扇区记录电动势的实部和虚部信息，结合方位电动势与随钻电磁波电阻率信息，形成方位电磁波电阻率并成像显示。

而且，本发明装置还通过对称发射补偿和延迟补偿两种方法消除电阻率各向异性影响，结合仪器工具面角信息，形成不同方位的交叉耦合电动势信号，利用交叉耦合电动势信号处理得到地层界面倾角，并预测和判断地层界面位置。并且，该装置可以在旋转和滑动两种模式下进行电阻率和交叉耦合电动势测量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明一实施例的随钻方位电磁波电阻率测量装置的天线设置的结构示意图；

图2为根据本发明一实施例中测量装置的工具面方位角与扇区划分关系示意图；

图3为根据本发明一实施例中测量装置的横向接收天线线圈的正视截面示意图；

图4a为根据本发明一实施例中相位电阻率转化模板；

图4b为根据本发明一实施例中衰减电阻率转化模板；

图5a为根据本发明一实施例中测量装置在各向同性地层模型中横向接收线圈电动势（实部）响应模拟示意图；

图5b为根据本发明实施例中测量装置在各向同性地层模型中横向接收线圈电动势（虚部）响应模拟（单发单收，发射线圈在接收线圈下方)示意图；

图5c为根据本发明实施例中测量装置在各向同性地层模型中横向接收线圈电动势（虚部）响应模拟（单发单收，发射线圈在接收线圈上方）示意图；

图5d为根据本发明实施例中测量装置在各向同性地层模型中横向接收线圈电动势（虚部）响应模拟（双发单收，接收天线为210）示意图；

图5e为根据本发明实施例中测量装置在各向同性地层模型中横向接收线圈电动势（虚部）响应模拟（双发单收，接收天线为206）示意图；

图6a为根据本发明实施例中测量装置在各向异性地层模型中横向接收线圈电动势（虚部）响应模拟（单发单收，发射线圈在接收线圈下方）示意图；

图6b为根据本发明实施例中测量装置在各向异性地层模型中横向接收线圈电动势（虚部）响应模拟（单发单收，发射线圈在接收线圈上方）示意图；

图6c为根据本发明实施例中测量装置在各向异性地层模型中横向接收线圈电动势（虚部）响应模拟（双发单收）示意图；

图7a为根据本发明实施例中测量装置在各向异性地层模型中交叉耦合电动势延迟补偿示意图；

图7b为根据本发明实施例中测量装置在各向异性地层模型中交叉耦合电动势延迟补偿测量响应模拟示意图；

图8为根据本发明实施例中测量装置在不同地层倾角情况下横向接收线圈电动势(虚部)与工具面方位角关系示意图；

图9为根据本发明另一实施例中随钻方位电磁波电阻率测量方法的流程图；

图10a为一两层地层模型示例图；

图10b为本发明实施例的随钻方位电磁波电阻率测量装置在图10a模型下一条衰减电阻率响应模拟曲线示意图；

图10c为本发明实施例的随钻方位电磁波电阻率测量装置在图10a模型下方位电磁波响应模拟示意图；

图10d为本发明实施例的随钻方位电磁波电阻率测量装置在图10a模型下合成的方位电阻率效果图；

图11a为另一两层地层模型示例图；

图11b为本发明实施例的随钻方位电磁波电阻率测量装置在图11a模型下合成的方位电阻率效果图

图12为根据本发明一实施例的随钻方位电磁波电阻率测量装置除天线设置外的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

图1为根据本发明一实施例的随钻方位电磁波电阻率的测量装置的天线设置的示意图。

如图1所示，该随钻方位电磁波电阻率的测量装置中包括4个轴向发射天线201、203、205、207以及两个轴向接收天线202和204，它们的线圈磁矩方向与仪器轴平行。另外，该测量装置还包括一对正交的横向接收天线206和210。

如图1所示，在两个轴向接收天线202、204的两侧分别设置三个轴向发射天线201、203、205和一个轴向发射天线207，并且两端轴向发射天线关于一对正交的横向接收天线206、210对称，四个轴向发射天线分别分时发射至少一个设定工作频率的电磁波信号。

而且，如图12所示，该随钻方位电磁波电阻率的测量装置还包括工具面方位角实时测量装置20以及数据采集和处理装置21。其中，工具面方位角实时测量装置20用来提供装置工具面的实时测量，以确定采集数据所处的扇区。数据采集和处理装置21，其用来通过无磁钻铤内部的线路与工具面方位角实时测量装置20电连接，用于采集轴向接收天线的信号和按照扇区采集该对正交的横向接收天线的信号，并对采集到的信号进行处理得到不同方位的电磁波电阻率。

具体地，数据采集和处理装置21包括：电磁波电阻率生成单元21a、方位电动势生成单元21b、方位电磁波电阻率计算单元21c、方位电磁波电阻率成像单元21d以及界面倾角和距离判断单元21e。

其中，电磁波电阻率生成单元21a，其用于采集对应至少一工作频率的轴向接收天线所接收到的含有地层信息的电磁波信号，通过对电磁波信号的幅度和相位信息进行处理以得到不同探测深度的地层的电磁波电阻率信息。

方位电动势生成单元21b，其用于按照扇区采集该对横向接收天线所接收到的含有地层信息的电磁波信号，获取电磁场交叉耦合电动势的实部和虚部信息，进而生成不同方位的电动势信息。

而且，该方位电动势生成单元21b还包括：

噪声消除单元，其按照扇区方位对所述电磁场交叉耦合电动势中的交叉耦合磁场分量数据进行拟合校正以消除电气和/或机械引起的噪声信号；

补偿单元，其对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行对称发射补偿和/或移动过程中的延迟补偿，进而生成不同方位的电动势信息。

方位电磁波电阻率计算单元21c，其用于将电磁波电阻率信息和不同方位的电动势信息进行合成，生成不同方位的电磁波电阻率信息。

方位电磁波电阻率成像单元21d，其用于用不同颜色表示所得到的不同方位的电磁波电阻率的大小。

界面倾角和距离判断单元21e，其用于根据所得到的不同方位的电动势信息，处理得到界面倾角和相对位置，进而指导钻进。

在本实施例中，该装置的工作频率采用2MHz和400kHz。当第一个发射天线发射电磁波时，两个接收天线202和204接收反映地层信息的电磁场信号。四个轴向发射天线按照分时分频的方式发射电磁波，两个正交的横向接收天线分别接收两个最远端的发射线圈（205和207）发射电磁波时地层产生的磁场信号。

在旋转模式下，至少划分四个扇区，区别上、下、左、右四个方位，并且每个扇区内的电动势信号测量值进行平均，作为该扇区的测量信号值。在本实施例中，该装置的横向接收天线可将一周分24个扇区进行信号测量采集和记录，两个正交的横向接收天线只有一个处于工作状态。在滑动模式下，两个正交的横向接收天线则同时处于工作状态。

在均匀地层条件下，两个横向接收天线都检测不到磁场信号，而在存在界面的情况下，由于界面的反射，横向接收线圈接收到电磁信号，信号的幅度随仪器工具面角变化呈现正余弦规律，磁场方向与层界面方位有关。当其中一个横向接收天线与界面垂直时，接收不到磁场信号，此时另一个横向接收天线接收到的磁场信号最强，因此该装置可以在旋状和滑动两种模式下使用。所有天线、天线防护罩及通讯槽都安装在无磁钻铤200上。

图2为本发明一实施例的随钻方位电磁波电阻率测量装置的扇区划分与工具面方位角的关系示意图，一周均匀划分24个扇区，每个扇区15°。

而图3为本发明一实施例的随钻方位电磁波电阻率测量装置的横向接收线圈的正视截面图。其中泥浆通道300位于钻铤200的中心。沿钻铤轴线方向上刻有一系列垂直于钻铤轴线的刻槽（未图示）。各个刻槽之间通过钻铤200表面附近的钻孔2061连通，用于安装绝缘线圈。为了增强接收信号强度，在线圈与刻槽之间安装铁氧体2062。钻铤200对面两侧铁氧体上部的导线在钻铤200内部连接闭合形成一个横向天线，在本发明中含有两个正交的横向线圈。而线圈的圈数可以根据实际需要采用一圈或多圈形式。

图4a为根据本发明一实施例的随钻方位电磁波电阻率测量装置的相位电阻率转换模板，其中，该计算模型为无限大均匀地层模型。两个接收线圈(202和204)之间的距离为8in，发射线圈201、203和205距离两个接收线圈中点的距离分别为24in、36in和48in。采用的工作频率分别为2MHz和400kHz。

在图4a中，符号211为发射线圈距接收线圈中点为24in、工作频率为2MHz时的相位电阻率转换曲线；符号212为发射线圈距接收线圈中点为24in、工作频率为400kHz时的相位电阻率转换曲线；符号213为发射线圈距接收线圈中点为36in、工作频率为2MHz时的相位电阻率转换曲线；符号214为发射线圈距接收线圈中点为36in、工作频率为400kHz时的相位电阻率转换曲线；符号215为发射线圈距接收线圈中点为48in、工作频率为2MHz时的相位电阻率转换曲线；符号216为发射线圈距接收线圈中点为48in、工作频率为400kHz时的相位电阻率转换曲线。

图4b为本发明一实施例的随钻方位电磁波电阻率测量装置的衰减电阻率转换模板，其中，计算模型为无限大均匀地层模型。

在图4b中，221为发射线圈距接收线圈中点为24in、工作频率为2MHz时的衰减电阻率转换曲线；222为发射线圈距接收线圈中点为24in、工作频率为400kHz时的衰减电阻率转换曲线；223为发射线圈距接收线圈中点为36in、工作频率为2MHz时的衰减电阻率转换曲线；224为发射线圈距接收线圈中点为36in、工作频率为400kHz时的衰减电阻率转换曲线；225为发射线圈距接收线圈中点为48in、工作频率为2MHz时的衰减电阻率转换曲线；226为发射线圈距接收线圈中点为48in、工作频率为400kHz时的衰减电阻率转换曲线。

从上述图4a和图4b中可以看出，相位差以及幅度衰减都随工作频率的增加而对地层电阻率灵敏度增强，相位电阻率比衰减电阻率具备更大的有效量程。

图5a～图5e为根据本发明一实施例的测量装置的响应模拟示意图。地层模型为三层各向同性地层，地层电阻率分别为1Ω.m、10Ω.m和1Ω.m，中间地层厚度为4m，井眼与地层的相对夹角为80°。

图5a中，曲线231为发射天线为T3(205)、发射频率2MHz、仪器工具面角0°时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的实部信息；曲线233为工具面角45°时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的实部信息；曲线235为工具面角90°时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的实部信息；曲线237为工具面角135°时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的实部信息；曲线239为工具面角180°时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的实部信息；装置响应的实部信号在界面处存在尖峰，在远离界面的地方信号逐渐变为0。

图5b为同样地层模型，接收天线Rx的响应信号的虚部信息。其中，曲线230为工具面角0°时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的虚部信息；曲线232为工具面角45°时，接收天线Rx(210)响应虚部信息；曲线234为工具面角90°时，接收天线Rx(210)响应的虚部信息；曲线236为工具面角135°时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的虚部信息；曲线238为工具面角180°时，接收天线Rx(210)测得的信号的虚部信息。

图5c为同样地层模型，发射天线为207时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的虚部信息。曲线240为工具面角0°时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的虚部信息；曲线242为工具面角45°时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的虚部信息；曲线244为工具面角90°时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的虚部信息；曲线246为工具面角135°时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的虚部信息；曲线248为工具面角180°时，接收天线Rx(210)响应模拟信号的虚部信息。

由上述模拟结果可以得出，该装置在均匀介质中其响应在界面附近出现尖峰，离开界面一定距离后，所测量的电磁场交叉分量(Hzx、Hzy)，无论是实部信息还是虚部信息都逐渐变为0，该响应特性可用于地质导向中的界面指示和距离预测，由极值到变为0的距离受工作频率、线圈距以及相邻地层模型多重因素影响。

横向接收线圈的实部和虚部信息在层界面附近都有响应，但其响应特征虚部信息比实部信息特征更加简单，方便解释和应用。在对称地层模型中，单发单收情况下界面处的影响幅度并不相同。当发射天线205、207发射，接收天线206和210分别接收时，两个接收天线接收到的最大信号幅度相同，只是出现最大信号幅度的工具面角相差90°。

图5d中，曲线250为工具面角0°时，发射天线205、207发射，接收天线210响应模拟信号的虚部；曲线252为工具面角45°时，发射天线205、207发射，接收天线210响应模拟信号的虚部；曲线254为工具面角90°时，发射天线205、207发射，接收天线210响应模拟信号的虚部；曲线256为工具面角135°时，发射天线205、207发射，接收天线210响应模拟信号的虚部；曲线258为工具面角180°时，发射天线205、207发射，接收天线210响应模拟信号的虚部。从上可以看出，当工具面角为0°时，界面处接收线圈Rx(210)响应幅度最大，当工具面角为90°时，线圈与界面垂直，接收信号幅度为0，在滑动模式下，无法预测和指示界面的存在，而此时接收线圈Ry(206)响应幅度最大，因此，一对正交的横向接收线圈能保证该装置能再旋转和滑动两种模式下工作。

图5e中，曲线260为工具面角0°时，发射天线205、207发射，接收天线206响应模拟信号的虚部；曲线262为工具面角45°时，发射天线205、207发射，接收天线206响应模拟信号的虚部；曲线264为工具面角90°时，发射天线205、207发射，接收天线206响应模拟信号的虚部；曲线266为工具面角135°时，发射天线205、207发射，接收天线206响应模拟信号的虚部；响应曲线268为工具面角180°时，发射天线205、207发射，接收天线206响应模拟信号的虚部。

图6a～图6c为各向异性地层模型仪器响应。其中，该地层模型为三层，水平电阻率R_h分别为1Ω.m、4Ω.m、1Ω.m，垂直电阻率分别为1Ω.m、20Ω.m、1Ω.m，中间层厚为3m，井眼与地层相对夹角为80°。

图6a为发射天线205发射，接收天线210响应模拟，2700和2710分别表示地层上下界面的位置。其中，曲线270为工具面角0°时，响应模拟信号的虚部；曲线272为工具面角45°时，响应模拟信号的虚部；曲线274为工具面角90°时，响应模拟信号的虚部；曲线276为工具面角135°时，响应模拟信号的虚部；曲线278为工具面角180°时，响应模拟信号的虚部。

图6b为发射天线207发射，接收天线210响应模拟。其中，曲线280为工具面角0°时，响应模拟信号的虚部；曲线282为工具面角45°时，响应模拟信号的虚部；曲线284为工具面角90°时，响应模拟信号的虚部；曲线286为工具面角135°时，响应模拟信号的虚部；曲线288为工具面角180°时，响应模拟信号的虚部。

图6c为发射天线205、207发射，接收天线210响应模拟。其中，曲线290为工具面角0°时，响应模拟信号的虚部；曲线292为工具面角45°时，响应模拟信号的虚部；曲线294为工具面角90°时，响应模拟信号的虚部；曲线296为工具面角135°时，响应模拟信号的虚部；曲线298为工具面角180°时，响应模拟信号的虚部。

由上述模拟结果可以看出，在斜井各向异性地层模型中，单发单收响应即时在离开界面一定距离后，可以忽略界面的影响，H_zx可以表示为式(1)。由于R_h≠R_v，H_zx≠0，此时用该信号来判断界面距离带来困难。而在各向同性地层模型中R_h＝R_v，在远离界面后H_zx＝0。而采用对称发射补偿后（根据发射天线电流方向相同或相反，对接收线圈测量值进行相加或相减），中间层各向异性的影响被消除了，此时响应特征与各向同性响应特征类似，在离开界面一段距离后，响应信号幅度逐渐变为0。

$H_{\mathrm{zx}}=\frac{M}{{4\mathrm{\πL}}^3}[\frac{\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{ik}}_{h}L(e^{{\mathrm{ik}}_{h}L}-e^{{\mathrm{ik}}_h\mathrm{\βL}})---\left(1\right)$

$\mathrm{\β}=\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\θ}+(R_h/R_v){\sin }^2\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

其中：L为线圈距，k_h为水平波数，M为线圈磁矩，θ为地层法线与仪器轴相对角，R_h为水平电阻率，R_v为垂直电阻率，i表示虚数单位。

在本实施例中，电磁场交叉耦合电动势包括交叉耦合磁场分量ZX和ZY，可以通过至少一个轴向发射天线和一对正交的横向接收天线，同时测量所述电磁场交叉耦合电动势的分量ZX和ZY。而在对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行对称发射补偿的过程中，可以通过将至少一对轴向发射天线对称安装于横向接收天线两侧，且至少采用一个横向接收天线用于测量ZX或ZY分量，进而进行对称发射补偿，或者，通过将至少一对横向接收天线对称安装于轴向发射天线两侧，且至少采用一个轴向发射天线用于测量ZX或ZY分量，进而进行对称发射补偿。

在对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行钻挺移动过程中的延迟补偿的过程中，通过关于横向接收天线对称的两个轴向发射天线分别位于相同地层位置时的该横向接收天线所接收的电磁波信号进行补偿。图7a为本发明一实施例的随钻方位电磁波电阻率交叉耦合电动势延迟补偿测量示意图。在钻头钻进过程中，当装置前进的距离为2倍的h10时，此时发射天线207与之前钻进过程中发射天线205的位置重合，将天线205和天线207在同一位置时横向接收天线测得的交叉耦合电动势进行补偿。

针对图6a～图6c所采用地层模型，模拟结果如图7b所示，其中，曲线291为工具面角0°时，延迟补偿响应模拟信号的虚部；曲线293为工具面角45°时，延迟补偿响应模拟信号的虚部；曲线295为工具面角90°时，延迟补偿响应模拟信号的虚部；曲线297为工具面角135°时，延迟补偿响应模拟信号的虚部；曲线299为工具面角180°时，延迟补偿响应模拟信号的虚部。

对比对称发射补偿得到的响应模拟结果(如图6c)可以发现采用交叉耦合电动势延迟补偿处理方法后，信号峰值与界面位置基本重合，对界面的判断更加简单直观，而直接发射天线对称补偿得到的信号峰值与界面位置不重合，很难精确判断界面位置，但对称发射补偿能更早的预测到界面的存在，因此采用这两种方法综合能更加及时准确地预测和判断界面的位置。

图8为模拟不同地层界面倾角情况下，横向接收线圈210接收到的信号虚部与仪器工具面方位角的关系。界面两侧电阻率分别为1Ω.m和10Ω.m，仪器平行于地层界面。其中，310为地层界面倾角为0°情况下，响应信号随仪器工具面角的变化关系；320为地层界面倾角为45°情况下，响应信号随仪器工具面角的变化关系；330为地层界面倾角为90°情况下，响应信号随仪器工具面角的变化关系。

可以看出，响应信号与仪器工具面方位角呈现正/余弦关系。其电动势信号可以表示为：

Re{V(f,t,r)}＝a_RE1cos(φ)+b_RE1sin(φ)---(3)

Im{V(f,t,r)}＝a_IM1cos(φ)+b_IM1sin(φ)---(4)

其中，V为横向接收线圈所测的电动势信号，f为工作频率，t、r分别为发射、接收线圈，Re、Im分别表示取信号的实部和虚部；a_RE1和b_RE1分别表示实部信号余弦分量幅度和正弦分量幅度，a_IM1和b_IM1分别表示虚部信号余弦分量幅度和正弦分量幅度。利用拟合得到的系数可以得到界面的相对倾角α，即：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\frac{b_{\mathrm{IM}1}}{a_{\mathrm{IM}1}}---\left(5\right)$

或

$\mathrm{\α}=\mathrm{ta}{n}^{-1}\frac{b_{\mathrm{RE}1}}{a_{\mathrm{RE}1}}---\left(6\right)$

图9为根据本发明另一实施例的随钻方位电磁波电阻率测量方法的流程图，下面同时参考图1和图9来说明如何利用图1的随钻方位电磁波电阻率测量装置来进行电阻率测量的。

步骤S101，启动该随钻方位电磁波电阻率测量装置，开始工作。

步骤S102，选择发射天线，在该实施例中四个发射线圈采用分时分频发射电磁波，发射顺序为201、207、203、205，发射频率为2MHz和400kHz。

步骤S103，接收线圈202、204分别接收含有地层信息的磁场信号，经过处理得到电动势信号的幅度和相位，按扇区记录和处理一对正交的横向接收线圈206、210所接收的磁场信号，得到交叉耦合电动势的实部和虚部信息，其中，所采集到的交叉耦合电动势的幅度信息，如下表示为：

$\mathrm{Re}\left\{V(f,t,r)\right\}=\sqrt{a_{\mathrm{rx}}^2+a_{\mathrm{ry}}^2}$

$\mathrm{Im}\left\{V(f,t,r)\right\}=\sqrt{b_{\mathrm{ix}}^2+b_{\mathrm{iy}}^2}$

其中，a_rx、a_ry、b_ix、b_iy分别为交叉耦合电动势的交叉耦合磁场分量ZX和ZY的实部和虚部信号。

步骤S104，计算两个轴向接收天线206、210之间的幅度比和相位差。

对于正交的横向接收天线，由于所测电动势的幅度值非常小，可能会达到nV级别，因此各种电气噪声以及发射接收线圈没有完全正交或机械加工造成的测量误差会使测量信号严重失真，因此必须进行校正，消除误差，提取有用信号。

考虑到天线ZX耦合或ZY耦合时接收线圈电动势的实部和虚部都呈现正弦或余弦规律，如图8，其电动势可以表示为式(3)、(4)，利用这一性质对测量数据进行拟合。系数a_RE1、b_RE1、a_IM1、b_IM1可以通过快速傅里叶变换得到，经过拟合修正后的数据保留了ZX或ZY分量而大大减少了噪声。

步骤S105，对所得到的幅度比、相位差进行温度以及功率补偿校正后，根据不同的电阻率转换模板，转换成不同频率、不同线圈距的电阻率信息。

分别将横向接收天线电动势的实部、虚部补偿，或处理得到电动势的幅度信息，用来预测界面距离和指示界面位置。

步骤S106，询问是否选择下一发射天线进行测量，如果是则进行步骤S107选择下一天线发射电磁波，并返回步骤S103重复以上步骤，如果不选择下一发射天线则步骤S108询问测量是否完成，如果完成则进行步骤S109，测量结束。

由于在均匀介质中，横向接收线圈的信号为0，与介质的电阻率无关，因此要想形成方位电磁波电阻率，必须将电磁波电阻率与方位电磁波信息结合起来。图10a为数值模拟采用的地层模型，相对下方地层410电阻率为1Ω.m，上方地层400电阻率为10Ω.m，井眼轨迹402与层界面401的相对夹角为80°。图10b实施例中450为36in线圈距，工作频率为400kHz时的衰减电阻率模拟曲线，在合成方位电阻率的方法中选择400kHz的衰减电阻率曲线是因为该曲线在大斜度井/水平井环境下响应受“极化角”效应影响较小，使方位电阻率有较好的成像效果。图10c为发射天线205发射400kHz电磁波，接收线圈210在不同工具面方位角指向时的电磁波响应。

图10d为该地层模型条件下合成方位电磁波电阻率效果图。合成公式如下：

Raz(ii,jj)=(Az(ii,jj)/Azx(ii)+1)/2*(Rt(ii)-R)+R   (7)

其中，Raz、Az均为二维数组，ii代表深度采样点编号、jj(jj=1,…N+1，N为扇区个数)；Raz为转换得到的方位电磁波电阻率；Az为所测量交叉耦合电动势信号虚部；Azx为每个深度位置的幅度最大的交叉耦合电动势信号；Rt为随钻电磁波电阻率；R为邻近交叉耦合电动势信号小于阈值处的电阻率，随深度变化而变化。

其中阈值的确定要根据实际仪器对方位电磁信号的识别能力，当方位电磁信号小于该阈值时，认为此时的地层电阻率在各个不同的方位是均匀的。在合成过程中要对电磁波电阻率和方位电磁波数据进行趋势分析和滤波，消除异常点响应。

图11a模拟地层模型为1Ω.m地层位于上方、10Ω.m地层位于下方，井眼轨迹不变。在该地层模型下，电磁波电阻率的响应与图10a模型响应相同，无法区分低阻层的相对方位。图11b为该地层模型下合成的方位电磁波电阻率成像效果图，由效果图可以明显地区分低阻层的相对方位。

综上所述，本发明为了克服目前随钻方位电磁波仪器只能在旋转模式下进行方位判断和界面预测，提出采用一对正交的横向接收天线接收电磁信号，处理得到采样信号的实部和虚部。在旋转工作模式下，按照扇区划分分别采集和记录各个扇区的数据，并采用对称发射补偿消除电阻率各向异性影响；对横向接收线圈测得的电动势信号的实部和虚部利用快速傅立叶变换进行正余弦拟合，降低噪声，得到不同扇区的电动势信号的实部和虚部。

为了克服目前对称发射补偿交叉耦合电动势响应在装置与层界面不平行时，响应信号峰值与层界面不对应，导致很难准确简单直观地识别层界面，采用延迟补偿交叉耦合信号，该方法补偿后，信号峰值与层界面一致，能准确快速时别和判断层界面，对称发射补偿交叉耦合电动势信号能更早预测到地层界面，因此根据对称发射补偿和延迟补偿交叉耦合电动势信号可以更加准确快速的预测和判断层界面距离并计算得到层界面相对倾角。

在滑动工作模式下，联合两个正交的横向接收天线测得的交叉耦合电动势，处理得到交叉耦合电动势信号实部和虚部信号的幅度；将方位电动势信号与400kHz幅度电阻率信息结合生成方位电阻率信息，结合仪器工具面方位角信息进行电阻率成像，使之具备较大的探测深度，能更好的应用于地质导向。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种随钻方位电磁波电阻率的测量装置，包括：

设置有天线槽的无磁钻铤；

安装于所述无磁钻铤上的至少一轴向发射天线、一对横向接收天线以及至少一对轴向接收天线，其中，各个天线通过所述天线槽发射和接收电磁波信号；

工具面方位角实时测量装置，其用来提供装置工具面的实时测量，以确定采集数据所处的扇区；

数据采集和处理装置，其通过所述无磁钻铤内部的线路与所述工具面方位角实时测量装置电连接，所述数据采集和处理装置用于采集轴向接收天线的信号和按照扇区采集该对横向接收天线的信号，并对采集到的信号进行处理得到不同方位的电磁波电阻率。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，包括：

在所述无磁钻铤上安装四个所述轴向发射天线、两个所述轴向接收天线和一对正交的横向接收天线，

其中，在两个所述轴向接收天线的两侧分别设置三个所述轴向发射天线和一个所述轴向发射天线，并且两端轴向发射天线关于所述一对正交的横向接收天线对称，四个所述轴向发射天线分别分时发射至少一个设定工作频率的电磁波信号。

3.如权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述数据采集和处理装置包括：

电磁波电阻率生成单元，其用于采集对应至少一工作频率的轴向接收天线所接收到的反映地层信息的电磁波信号，通过对所述电磁波信号的幅度和相位信息进行处理以得到不同探测深度的地层的电磁波电阻率信息；

方位电动势生成单元，其用于按照扇区采集该对横向接收天线所接收到的反映地层信息的电磁波信号，获取电磁场交叉耦合电动势的实部和虚部信息，进而生成不同方位的电动势信息；

方位电磁波电阻率计算单元，其用于将所述电磁波电阻率信息和所述不同方位的电动势信息进行合成，生成不同方位的电磁波电阻率信息。

4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述方位电动势生成单元还包括：

噪声消除单元，其按照扇区方位对所述电磁场交叉耦合电动势中的交叉耦合磁场分量数据进行拟合校正以消除电气和/或机械引起的噪声信号；

补偿单元，其对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行对称发射补偿和/或移动过程中的延迟补偿，进而生成不同方位的电动势信息。

5.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，还包括：

方位电磁波电阻率成像单元，其用于用不同颜色表示所得到的不同方位的电磁波电阻率的大小。

6.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，还包括：

界面倾角和距离判断单元，其用于根据所得到的不同方位的电动势信息，处理得到界面倾角和相对位置，来预测和判断地层界面，进而指导钻进。

7.一种随钻方位电磁波电阻率的测量方法，包括：

电磁波电阻率生成步骤，采集对应至少一工作频率的轴向接收天线所接收到的反映地层信息的电磁波信号，通过对所述电磁波信号的幅度和相位信息进行处理得到不同探测深度的电磁波电阻率信息；

方位电动势生成步骤，按照扇区采集至少一对横向接收天线所接收到的反映地层信息的电磁波信号，获取电磁场交叉耦合电动势的实部和虚部信息，进而生成不同方位的电动势信息；

方位电磁波电阻率计算步骤，将所述电磁波电阻率与所述不同方位的电动势信息进行合成得到不同方位的电磁波电阻率信息。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，在所述方位电动势生成步骤中，进一步包括：

按照扇区方位对所述电磁场交叉耦合电动势中的交叉耦合磁场分量数据进行拟合校正以消除电气和/或机械引起的噪声信号；

对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行对称发射补偿和/或移动过程中的延迟补偿，进而生成不同方位的电动势信息。

9.如权利要求7或8所述的测量方法，其特征在于，还包括：

根据所得到的不同方位的电动势信息，处理得到界面倾角和相对位置，来预测和判断地层界面，进而指导钻进。

10.如权利要求7至9中任一项所述的测量方法，其特征在于，

所述电磁场交叉耦合电动势包括交叉耦合磁场分量ZX和ZY，

通过至少一个轴向发射天线和一对正交的横向接收天线，同时测量所述电磁场交叉耦合电动势的分量ZX和ZY。

11.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于，在对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行对称发射补偿的步骤中，

通过将至少一对轴向发射天线对称安装于横向接收天线两侧，且至少采用一个横向接收天线用于测量ZX或ZY分量，进而进行对称发射补偿，或者，

通过将至少一对横向接收天线对称安装于轴向发射天线两侧，且至少采用一个轴向发射天线用于测量ZX或ZY分量，进而进行对称发射补偿。

12.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于，在对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行移动过程中的延迟补偿的步骤中，

通过关于横向接收天线对称的两个轴向发射天线分别位于相同地层位置时的该横向接收天线所接收的电磁波信号进行补偿。

13.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，在旋转测量模式中，所采集到的电动势信号的实部和虚部信息分别为关于装置工具面方位角Φ的函数，如下表示为：

Re{V(f,t,r)}＝a_RE1cos(φ)+b_RE1sin(φ)

Im{V(f,t,r)}＝a_IM1cos(φ)+b_IM1sin(φ)

其中，V为横向接收线圈所测电动势；f为工作频率；t，r分别为发射、接收天线；Re、Im分别表示取信号的实部和虚部；a_RE1和b_RE1分别表示实部信号余弦分量幅度和正弦分量幅度，a_IM1和b_IM1分别表示虚部信号余弦分量幅度和正弦分量幅度。

14.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，在滑动测量模式下，所采集到的交叉耦合电动势的幅度信息，如下表示为：

$\mathrm{Re}\left\{V(f,t,r)\right\}=\sqrt{a_{\mathrm{rx}}^2+a_{\mathrm{ry}}^2}$

$\mathrm{Im}\left\{V(f,t,r)\right\}=\sqrt{b_{\mathrm{ix}}^2+b_{\mathrm{iy}}^2}$

其中，a_rx、a_ry、b_ix、b_iy分别为交叉耦合电动势的交叉耦合磁场分量ZX和ZY的实部和虚部信号。

15.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，在所述方位电磁波电阻率计算步骤中，进一步包括：

确定交叉耦合电动势信号阈值；

划分交叉耦合电动势采集和记录扇区；

当电动势信号大于阈值时，不同方位的电磁波电阻率按照以下表达式进行合成：

Raz(ii,jj)=(Az(ii,jj)/Azx(ii)+1)/2*(Rt(ii)-R)+R

当电动势信号小于阈值时，认为地层是均匀的。

其中：Raz、Az均为二维数组，ii代表深度采样点编号、jj=1,…N+1，N为扇区个数；Raz为转换得到的不同方位的电磁波电阻率；Az为所测量交叉耦合电动势信号虚部；Azx为每个深度位置的幅度最大的交叉耦合电动势信号；Rt为随钻电磁波电阻率；R为邻近交叉耦合电动势信号阈值处的电阻率，随深度变化而变化。

16.如权利要求15所述的测量方法，其特征在于，在划分耦合分量电动势采集和记录扇区的步骤中，至少划分四个扇区，区别上、下、左、右四个方位，并且每个扇区内的电动势信号测量值进行平均，作为该扇区的测量信号值。